ITTO20110280A1 - SWITCHING CELLS TO POWER MOSFET TRANSISTORS - Google Patents

Description

"Celle di commutazione a transistori MOSFET di potenza" "Power MOSFET Transistor Switching Cells"

DESCRIZIONE DESCRIPTION

La presente invenzione riguarda in generale una cella di commutazione controllata. The present invention generally relates to a controlled switching cell.

Più specificamente l'invenzione ha per oggetto una cella di commutazione controllata in cui fra i terminali di una sorgente di alimentazione di tensione in corrente continua sono collegati un interruttore comandato di potenza ed un dispositivo di ricircolo di corrente, fra i quali à ̈ definito un terminale comune della cella. More specifically, the invention relates to a controlled switching cell in which a controlled power switch and a current recirculation device are connected between the terminals of a direct current voltage supply source, between which a common terminal of the cell.

In dettaglio, l’invenzione riguarda metodi concettuali e i mezzi circuitali, necessari per utilizzare una tale cella di commutazione, controllata ad alta frequenza di commutazione, con minime perdite di energia, nonostante i fenomeni dinamici parassiti (la cui duplice natura verrà analizzata nel seguito) dei dispositivi di ricircolo più efficienti nella conduzione di corrente. In detail, the invention concerns conceptual methods and circuit means, necessary to use such a switching cell, controlled at a high switching frequency, with minimal energy losses, despite the parasitic dynamic phenomena (whose dual nature will be analyzed below ) of the most efficient recirculation devices in conducting current.

In particolare, alcuni dispositivi di potenza per tensioni elevate presentano caratteristiche capacità parassite, che variano in modo non lineare al variare della tensione, i cui effetti dissipativi sono meno noti, ma non trascurabili, analogamente a quelli del ben noto fenomeno del “reverse recovery†, tipico dei diodi a giunzione di semiconduttori, pur originando da fenomeni radicalmente diversi. In particular, some power devices for high voltages have characteristic parasitic capacities, which vary in a non-linear way as the voltage varies, whose dissipative effects are less known, but not negligible, similar to those of the well-known phenomenon of â € œreverse recoveryâ. €, typical of semiconductor junction diodes, although originating from radically different phenomena.

Una cella di commutazione controllata secondo la tecnica anteriore à ̈ illustrata nella figura 1 dei disegni allegati, ove à ̈ complessivamente indicata con 1. In tale figura con 2 à ̈ indicata una sorgente atta ad erogare una tensione continua Vc .Fra i terminali della sorgente 2 sono collegati un interruttore comandato T, quale ad esempio un transistor, ed un dispositivo di ricircolo di corrente CRD, in particolare un diodo avente l'anodo collegato al terminale negativo della sorgente 2 ed il catodo collegato all'interruttore comandato T. A switching cell controlled according to the prior art is illustrated in Figure 1 of the attached drawings, where it is generally indicated with 1. In this figure, with 2 a source suitable for delivering a direct voltage Vc is indicated. 2 a controlled switch T, such as a transistor, and a current recirculation device CRD are connected, in particular a diode having the anode connected to the negative terminal of the source 2 and the cathode connected to the controlled switch T.

La connessione fra l'interruttore T e il dispositivo di ricircolo CRD, indicata con O, definisce il terminale comune della cella 1, per il collegamento ad un circuito induttivo L, percorso dalla corrente (di uscita o di output) IO. Un tale circuito induttivo L può essere in generale considerato come un generatore di corrente, quantomeno durante i brevi intervalli di tempo di commutazione della cella 1. The connection between the switch T and the recirculation device CRD, indicated by O, defines the common terminal of the cell 1, for connection to an inductive circuit L, traversed by the current (output or output) 10. Such an inductive circuit L can generally be considered as a current generator, at least during the short switching time intervals of cell 1.

Secondo la tecnica nota, i dispositivi di ricircolo sono caratterizzati da comportamenti dinamici non ideali che dominano la loro commutazione di interdizione, normalmente forzata dalla chiusura dell’interruttore T della cella (1 in Fig.1). According to the known art, the recirculation devices are characterized by non-ideal dynamic behaviors which dominate their interdiction switching, normally forced by the closure of the switch T of the cell (1 in Fig.1).

Nel caso dei diodi a giunzione di semiconduttori il fenomeno, complessivamente noto come “reverse-recovery†, à ̈ prima di tutto dominato dal ritardo di tempo (storage-time) durante il quale il diodo si comporta da ottimo conduttore, pur conducendo corrente inversa. Tale ritardo à ̈ molto dipendente dalla temperatura nonché dalla corrente, inversa oltre che diretta, condotta precedentemente alla commutazione. In the case of semiconductor junction diodes, the phenomenon, generally known as `` reverse-recovery '', is first of all dominated by the time delay (storage-time) during which the diode acts as an excellent conductor, while still conducting current reverse. This delay is very dependent on the temperature as well as on the reverse as well as direct current conducted prior to switching.

Nel caso di diodi di tipo Schottky idealmente non si manifesta tale fenomeno, tuttavia à ̈ noto che una certa quantità di carica inversa deve essere “forzata†per la sua interdizione, teoricamente indipendente da temperatura e corrente. In the case of Schottky type diodes, this phenomenon does not ideally occur, however it is known that a certain amount of reverse charge must be â € œforcedâ € for its interdiction, theoretically independent of temperature and current.

I fenomeni sopra descritti, di natura capacitiva, in effetti derivano da capacità parassite fortemente variabili con la tensione applicata tra catodo e anodo del dispositivo di ricircolo. The phenomena described above, of a capacitive nature, in fact derive from parasitic capacities that vary greatly with the voltage applied between the cathode and anode of the recirculation device.

In generale, entrambi i fenomeni di cui sopra, di natura completamente diversa, sono in realtà caratteristici dei dispositivi di ricircolo, in particolare di quelli più efficienti allo stato dell’arte e delle nuove tecnologie. In general, both of the above phenomena, of a completely different nature, are actually characteristic of recirculation devices, in particular of the most efficient ones in the state of the art and new technologies.

Ad esempio, per applicazioni in bassissima tensione in luogo di un semplice diodo il dispositivo di ricircolo di corrente CRD della cella 1 della figura 1 viene sostituito da un transistore MOSFET, di cui si sfrutta, almeno transitoriamente, anche il cosiddetto diodo intrinseco o "body diode". Tale soluzione risulta peraltro non praticata in applicazioni a tensioni elevate: al crescere della tensione di lavoro, il diodo intrinseco di un transistore MOSFET diventa sempre più "lento", e crescono notevolmente le perdite di commutazione rispetto all’ utilizzo dei diodi ultraveloci. For example, for very low voltage applications, instead of a simple diode, the current recirculation device CRD of the cell 1 of Figure 1 is replaced by a MOSFET transistor, of which the so-called intrinsic diode or "body" is also used, at least temporarily. diode ". However, this solution is not practiced in high voltage applications: as the working voltage increases, the intrinsic diode of a MOSFET transistor becomes increasingly "slow", and the switching losses considerably increase compared to the use of ultrafast diodes.

Tuttavia l’utilizzazione dei MOSFET come “Synchronous Rectifiers†(SR nel seguito) à ̈ esemplare per evidenziare le proprietà di efficienza attese dalle nuove tecnologie, nonché le problema tiche di commutazione che dovrebbero essere risolte per ottenere realmente una elevata efficienza complessiva. However, the use of MOSFETs as â € œSynchronous Rectifiersâ € (SR hereinafter) is exemplary to highlight the efficiency properties expected from new technologies, as well as the switching problems that should be solved in order to really obtain a high overall efficiency. .

Nella figura 2 dei disegni allegati sono qualitativamente riportate le caratteristiche di conduzione proprie di un transistore MOSFET, come correlazione tra la corrente di drain IDe la tensione drain-source VDS. Figure 2 of the attached drawings qualitatively shows the conduction characteristics of a MOSFET transistor, as a correlation between the drain current ID and the drain-source voltage VDS.

Nel primo quadrante (IDe VDSpositivi) un MOSFET opera come transistore: nella figura 2 à ̈ riportata la sola caratteristica di conduzione, detta “resistiva†perché di tipo essenzialmente proporzionale. In the first quadrant (IDe VDSpositive) a MOSFET operates as a transistor: figure 2 shows only the conduction characteristic, called â € œresistiveâ € because it is essentially proportional.

Nel terzo quadrante (IDpositiva e VDSnegativa) tale caratteristica “resistiva†prosegue, e ciò rappresenta una proprietà esclusiva dei MOSFET. Tuttavia essa à ̈ in pratica inutilizzabile come conducibilità variabile, a causa della conduzione del diodo intrinseco (body-diode) BD in parallelo al canale resistivo di conduzione comandabile del MO-SFET. Il MOSFET, pertanto, nel terzo quadrante può operare solo come diodo, con cadute di conduzione in parte controllabili in riduzione, comandando il MOSFET in conduzione: In the third quadrant (IDpositive and VDSnegative) this â € œresistiveâ € characteristic continues, and this represents an exclusive property of MOSFETs. However, it is in practice unusable as a variable conductivity, due to the conduction of the intrinsic diode (body-diode) BD in parallel with the resistive conduction channel that can be controlled by the MO-SFET. The MOSFET, therefore, in the third quadrant can only operate as a diode, with conduction drops that can be partially controlled in reduction, controlling the MOSFET in conduction:

- per valori di VDScompresi tra zero e VJ(tensione di soglia della giunzione del diodo intrinseco), la corrente che fluisce nel diodo intrinseco BD viene considerata trascurabile; tuttavia non à ̈ dimostrato che possa essere trascurata anche la carica di reverse-recovery correlata con la conduzione di detta corrente trascurabile; - for values of VDS between zero and VJ (threshold voltage of the junction of the intrinsic diode), the current flowing in the intrinsic diode BD is considered negligible; however, it has not been shown that the reverse-recovery charge correlated with the conduction of said negligible current can also be neglected;

- per valori negativi di VDS, superiori in modulo a VJ, la corrente nel diodo intrinseco BD à ̈ comunque non trascurabile; in questi casi il fenomeno del reverse-recovery à ̈ dominante sulla commutazione. - for negative values of VDS, higher in modulus than VJ, the current in the intrinsic diode BD is in any case not negligible; in these cases the reverse-recovery phenomenon dominates the switching.

Nel primo campo di valori di VDSsi realizza il funzionamento teorico del MOSFET da SR (raddrizzatore sincrono), per i duplici benefici teorici di una caduta di tensione (e perdita di potenza) sostanzialmente inferiore a quella di un diodo a giunzione, nonché della possibilità ideale di evitare gli effetti dinamici (“reverse-recovery†) propri del ripristino dello stato di interdizione del diodo intrinseco BD quando precedentemente conduttore di corrente. In the first range of VDS values the theoretical operation of the MOSFET from SR (synchronous rectifier) is realized, due to the double theoretical benefits of a voltage drop (and power loss) substantially lower than that of a junction diode, as well as the possibility ideal to avoid the dynamic effects (â € œreverse-recoveryâ €) inherent in restoring the interdiction state of the intrinsic diode BD when previously current conductor.

Per applicazioni in bassissima tensione, ad esempio per alimentatori di tensione per CPU con tensioni di uscita di pochi volt, secondo lo stato dell’arte vengono utilizzate celle di commutazione del tipo secondo lo schema della figura 3, implementato con due MOSFET, uno utilizzato per realizzare l’interruttore di potenza T e l’altro utilizzato come dispositivo di ricircolo controllato CRD, pilotato in modo sincrono, cioà ̈ come SR. Tali MO-SFET sono controllati per mezzo di circuiti di pilotaggio integrati, capaci di realizzare affidabilmente il sincronismo necessario tra gli stati (complementari) di conduzione dei due MOSFET utilizzati. For very low voltage applications, for example for CPU power supplies with output voltages of a few volts, according to the state of the art, switching cells of the type according to the scheme of figure 3 are used, implemented with two MOSFETs, one used to realize the power switch T and the other used as a controlled recirculation device CRD, piloted in a synchronous way, ie as SR. These MO-SFETs are controlled by means of integrated driving circuits, capable of reliably realizing the necessary synchronism between the (complementary) conduction states of the two MOSFETs used.

Per applicazioni a tensioni più elevate (maggiori di 50V, e anche fino a 1000V e più, con i semiconduttori tipo SiC, cioà ̈ carburo di silicio) al presente l’attuazione del medesimo principio à ̈ stata meramente ipotizzata, ma non realizzata. Tra le sue molteplici criticità, di difficile soluzione, alcune sono riconosciute di impatto crescente al crescere della tensione: For applications at higher voltages (greater than 50V, and even up to 1000V and more, with SiC type semiconductors, ie silicon carbide) at present the implementation of the same principle has been merely hypothesized, but not realized. Among its many criticisms, difficult to solve, some are recognized as having an increasing impact as the tension grows:

- i circuiti di pilotaggio non risultano integrabili, o comunque sono molto più costosi e affetti da ritardi superiori e più incerti; - the driving circuits are not integrable, or in any case they are much more expensive and affected by higher and more uncertain delays;

- la resistività dei MOSFET cresce in modo più che proporzionale alla tensione nominale e pertanto il funzionamento come SR dovrebbe essere limitato a valori di corrente di molto inferiori al nominale; - la resistenza del canale dei MOSFET cresce con la temperatura di lavoro mentre, al contrario, la tensione di soglia del diodo intrinseco decresce, per cui à ̈ impraticabile e inaffidabile sfruttare le caratteristiche del MOSFET senza tener conto della conduzione del diodo intrinseco. - the resistivity of the MOSFETs grows more than proportional to the nominal voltage and therefore the operation as SR should be limited to current values much lower than the nominal one; - the resistance of the MOSFET channel increases with the working temperature while, on the contrary, the threshold voltage of the intrinsic diode decreases, so it is impracticable and unreliable to exploit the characteristics of the MOSFET without taking into account the conduction of the intrinsic diode.

Secondo un concetto noto (ad esempio della precedente domanda di brevetto italiana TO2010A000822 a nome della stessa Richiedente), schematizzato nella figura 4 dei disegni qui allegati, la soluzione delle suddette criticità per l’applicazione di MO-SFET come SR à ̈ ritenuta possibile per mezzo di circuiti di pilotaggio dotati di una generica sorgente di alimentazione di bassa tensione VS, un interruttore comandato T1 di bassa tensione e un diodo di tensione elevata PDFWD, capaci di polarizzare inversamente il body-diode BD del CRD (SR) prima della commutazione di chiusura dell’interruttore comandato T, in questo modo limitandone la dissipazione di energia. According to a known concept (for example of the previous Italian patent application TO2010A000822 in the name of the same Applicant), schematized in figure 4 of the attached drawings, the solution of the aforementioned critical issues for the application of MO-SFET as SR is considered possible by means of driving circuits equipped with a generic low voltage power source VS, a low voltage T1 controlled switch and a high voltage diode PDFWD, capable of reverse biasing the body-diode BD of the CRD (SR) before switching closing of the controlled circuit-breaker T, thus limiting the dissipation of energy.

In relazione ai diversi effetti indesiderati dell’applicazione della idea di soluzione rappresentata nella figura 4, si distinguono alcuni casi significativi: In relation to the various undesirable effects of the application of the solution idea represented in figure 4, some significant cases are distinguished:

- il diodo PDFWD à ̈ del tipo a giunzione, per cui manifesta il fenomeno del reverse recovery, oppure à ̈ di tipo “Schottky†, ad esempio a carburo di silicio (SiC), ma a bassa caduta di tensione e quindi di area elevata e pertanto di elevata capacità parassita; - the PDFWD diode is of the junction type, for which it manifests the phenomenon of reverse recovery, or it is of the â € œSchottkyâ € type, for example with silicon carbide (SiC), but with a low voltage drop and therefore of area high and therefore of high parasitic capacity;

- il diodo PDFWD à ̈ una serie di diodi Schottky di bassa tensione, oppure un diodo Schottky di elevata tensione, ad esempio un diodo SiC, dimensionato con area ridotta per ridurre i costi e i fenomeni di capacità parassita, quindi con caduta di tensione elevata alla corrente di uscita (IO), e la tensione del generatore (VS) à ̈ dell’ordine di grandezza di pochi Volt o della decina di Volt, disponibile nel normale pilotaggio dei MOSFET. - the PDFWD diode is a series of low voltage Schottky diodes, or a high voltage Schottky diode, for example a SiC diode, sized with a reduced area to reduce costs and parasitic capacitance phenomena, therefore with a high voltage drop at the output current (IO), and the voltage of the generator (VS) is of the order of magnitude of a few volts or tens of volts, available in the normal driving of the MOSFETs.

In entrambi i casi si manifestano perdite per commutazione in T che, anche se ridotte, risultano troppo elevate per giustificare i costi, la complessità e l’energia assorbita dal circuito di pilotaggio. In particolare nel secondo caso si verifica che al crescere della tensione di VS la perdita per commutazione in T si può ridurre fino a valori minimi molto soddisfacenti, ma ovviamente il corrispondente circuito di pilotaggio SRMD diviene più costoso e l’energia assorbita da VS tutt’altro che trascurabile. In both cases there are losses due to switching in T which, even if small, are too high to justify the costs, complexity and energy absorbed by the driving circuit. In particular, in the second case it occurs that as the voltage of VS increases, the loss due to switching in T can be reduced to very satisfactory minimum values, but obviously the corresponding SRMD driver circuit becomes more expensive and the energy absorbed by VS all. € ™ other than negligible.

Tali risultati insoddisfacenti sono dovuti alla diversa e duplice natura dei fenomeni parassitici che ostacolano l’interdizione di un dispositivo di ricircolo efficiente: dapprima il noto fenomeno del reverse recovery richiede una elevatissima quantità di carica per far cessare lo stato da buonissimo conduttore elettrico (storage-time); seguono poi altri effetti non trascurabili, di diversa natura e quantità, dovuti al meno noto fenomeno dello spostamento di carica necessario per iniziare la polarizzazione inversa dei diodi e degli interruttori comandati. In particolare tutti i MOSFET, in modo molto pronunciato quelli per tensione elevata e a resistività ridottissima di tipo “trenchgate†, sono caratterizzati da capacità parassite non costanti, che assumono valori crescenti (anche di due ordini di grandezza) all’annullarsi della tensione VDS. These unsatisfactory results are due to the different and dual nature of the parasitic phenomena that hinder the interdiction of an efficient recirculation device: at first the well-known phenomenon of reverse recovery requires a very high quantity of charge to stop the state of a very good electrical conductor (storage -time); other non-negligible effects follow, of different nature and quantity, due to the less known phenomenon of the charge displacement necessary to initiate the reverse polarization of the controlled diodes and switches. In particular, all MOSFETs, very pronouncedly those for high voltage and very low resistivity of the â € œtrenchgateâ € type, are characterized by non-constant parasitic capacitances, which assume increasing values (even of two orders of magnitude) when the voltage disappears. VDS.

Le caratteristiche essenziali di tali fenomeni capacitivi non-lineari sono sintetizzate nel grafico della figura 5, tratto da verifiche sperimentali su di un MOSFET di tensione elevata utilizzabile come SR: in ascissa à ̈ riportata la tensione VDS, riapplicata al SR dopo la conduzione di corrente nulla, e quindi nella certezza di nessun fenomeno di reverse-recovery del body-diode; in ordinata à ̈ riportato l’integrale della corrente di drain, ovvero la quantità di carica QD(VDS) spostata per riapplicare la tensione VDS. Tale grafico evidenzia la presenza di una elevatissima non-linearità, analoga ad una discontinuità, del comportamento capacitivo parassitico che infatti ha effetto sulla compatibilità elettromagnetica delle commutazioni. A tale carica parassita QDcorrispondono elevate perdite di energia nella commutazione di chiusura dell’interruttore di potenza comandato T, analogamente a quanto ben noto a causa del reverserecovery, pur con origini e caratteristiche radicalmente diverse. Infatti, allo scopo di evidenziare l’efficacia dell’invenzione, il grafico della figura 5 dimostra che per alimentare tale carica parassita non lineare QDda un circuito esterno à ̈ necessaria una tensione VDSsuperiore alle decine di Volt. Questo dato va confrontato con i pochi Volt che viceversa potrebbero essere sufficienti per alimentare il reverse-recovery, in particolare per condurre nel diodo la quantità di carica inversa di “storage†necessaria per farne terminare lo stato di conduttore inverso. The essential characteristics of these non-linear capacitive phenomena are summarized in the graph of figure 5, taken from experimental tests on a high voltage MOSFET usable as SR: the voltage VDS is shown on the abscissa, reapplied to the SR after current conduction nothing, and therefore in the certainty of no reverse-recovery phenomenon of the body-diode; the ordinate shows the integral of the drain current, that is the quantity of charge QD (VDS) displaced to reapply the VDS voltage. This graph highlights the presence of a very high non-linearity, analogous to a discontinuity, of the parasitic capacitive behavior which in fact has an effect on the electromagnetic compatibility of the commutations. This parasitic charge QD corresponds to high energy losses in the closing commutation of the controlled power switch T, similarly to what is well known due to reverserecovery, albeit with radically different origins and characteristics. In fact, in order to highlight the effectiveness of the invention, the graph of figure 5 shows that to power this non-linear parasitic charge QD from an external circuit, a voltage VDS greater than tens of Volts is required. This figure must be compared with the few Volts which, on the other hand, could be sufficient to power the reverse-recovery, in particular to conduct the amount of reverse charge of â € œstorageâ € necessary to terminate the state of reverse conductor in the diode.

In conclusione, si può affermare che un circuito di alimentazione di tali cariche non rappresenta una soluzione dei problemi di interdizione dei dispositivi di ricircolo. In conclusion, it can be said that a power supply circuit for these charges does not represent a solution to the problems of interdiction of the recirculation devices.

Altre soluzioni sono state proposte, caratterizzate da un sostanziale aiuto alla commutazione ottenuto per mezzo della applicazione comandata di una bassa tensione attraverso induttori, anche in combinazione con condensatori (snubber), per realizzare teoricamente efficienti commutazioni risonanti. Tuttavia queste soluzioni generano diversi problemi, di costo e ingombro per i componenti attivi e reattivi aggiuntivi, nonché di vincolo sui ritardi minimi necessari per il corretto svolgimento delle commutazioni successive. Other solutions have been proposed, characterized by a substantial switching aid obtained by means of the controlled application of a low voltage through inductors, also in combination with capacitors (snubbers), to achieve theoretically efficient resonant switching. However, these solutions generate various problems of cost and space for the additional active and reactive components, as well as constraints on the minimum delays necessary for the correct execution of the subsequent switching.

Come apparirà più chiaramente dal seguito, i concetti alla base dell’invenzione possono essere così riassunti, per qualsiasi dispositivo di ricircolo ad elevata efficienza in applicazioni a tensione elevata: As will become clearer from the following, the concepts underlying the invention can be summarized as follows, for any high efficiency recirculation device in high voltage applications:

- la conduzione efficiente ed affidabile di un dispositivo ricircolo deve prevedere anche la conduzione di diodi del tipo a giunzione a bassa caduta di tensione (ad esempio body-diode di MOSFET), al fine di ridurre le perdite di conduzione e i costi, in quantità e qualità, di semiconduttore impiegato; e - the efficient and reliable conduction of a recirculation device must also provide for the conduction of junction type diodes with low voltage drop (for example body-diode of MOSFETs), in order to reduce conduction losses and costs, in quantity and quality of semiconductor used; And

- i circuiti aggiunti allo scopo hanno costi e perdite di energia che possono essere giustificati solo se risolvono con alta efficienza tutti i tipi di non idealità dinamica dei dispositivi di ricircolo a bassa caduta di conduzione. - the circuits added for this purpose have costs and energy losses that can be justified only if they solve with high efficiency all types of dynamic non-idealities of low conduction drop recirculation devices.

L’invenzione propone soluzioni di minimo costo, massima efficienza ed affidabilità, tramite una sequenza temporale strettamente predeterminata di attivazione di circuiti differenziati in qualità dei componenti e quantità delle grandezze elettriche operanti. The invention proposes solutions of minimum cost, maximum efficiency and reliability, through a strictly predetermined temporal sequence of activation of differentiated circuits in the quality of the components and quantity of the operating electrical quantities.

Lo scopo della presente invenzione à ̈ dunque di proporre una soluzione che consenta di realizzare una cella di commutazione controllata operante in condizioni di elevatissima efficienza, utilizzante un dispositivo di ricircolo di corrente molto efficiente in conduzione, cioà ̈ con cadute di tensione di ricircolo inferiori a quelle che si hanno su un normale diodo ultra-fast a giunzione, tuttavia senza risentire né degli effetti del fenomeno di reverse-recovery, né degli effetti dei fenomeni parassitici capacitivi non lineari. The purpose of the present invention is therefore to propose a solution that allows to realize a controlled switching cell operating in conditions of very high efficiency, using a very efficient current recirculation device in conduction, i.e. with recirculation voltage drops lower than those that occur on a normal ultra-fast junction diode, however without being affected either by the effects of the reverse-recovery phenomenon, or by the effects of non-linear capacitive parasitic phenomena.

Uno scopo correlato e conseguente à ̈ quello di consentire uno sfruttamento ottimale di una cella utilizzante un MOSFET come SR, permettendo il pieno sfruttamento del rating di corrente del MOSFET e quindi, in elevata tensione, il funzionamento del MOSFET come SR permettendo la conduzione del diodo intrinseco. A related and consequent purpose is to allow an optimal exploitation of a cell using a MOSFET as SR, allowing the full exploitation of the current rating of the MOSFET and therefore, in high voltage, the operation of the MOSFET as SR allowing the conduction of the diode. intrinsic.

Un ulteriore scopo della presenta invenzione à ̈ di poter conseguire uno sfruttamento ottimale, dal punto di vista del costo, del transistore MOSFET utilizzato per il ricircolo della corrente, con una soluzione che consenta inoltre la realizzazione di cosiddette gambe di inverter (inverter leg) o celle bidirezionali, con due soli transistori MOSFET operanti alternatamente da interruttore di potenza comandato e da raddrizzatore sincrono per il ricircolo della corrente, in funzione del segno della corrente nel circuito collegato al terminale comune della cella. A further object of the present invention is to be able to achieve an optimal exploitation, from the point of view of cost, of the MOSFET transistor used for the recirculation of the current, with a solution that also allows the realization of so-called inverter legs or bidirectional cells, with only two MOSFET transistors operating alternately as a controlled power switch and as a synchronous rectifier for the recirculation of the current, according to the sign of the current in the circuit connected to the common terminal of the cell.

Questi ed altri scopi vengono realizzati secondo l'invenzione con una cella di commutazione controllata a corrente unidirezionale le cui caratteristiche salienti sono definite nella rivendicazione 1. These and other objects are achieved according to the invention with a unidirectional current controlled switching cell whose salient characteristics are defined in claim 1.

In una tale cella, fra i terminali di una sorgente di tensione in corrente continua sono collegati un interruttore comandato, detto anche interruttore di potenza, ed un dispositivo di ricircolo di corrente, caratterizzato da una quantità di carica parassita che varia in modo non lineare in funzione della tensione ai suoi capi. Fra detto interruttore comandato e il dispositivo di ricircolo à ̈ definito un terminale comune della cella. Il dispositivo di ricircolo di corrente presenta sia efficienza in conduzione, sia un’inefficiente dinamica di commutazione per effetto dei fenomeni di reverse-recovery e di capacità parassita non lineare, e la cella di commutazione comprende, ai capi di detto dispositivo di ricircolo, mezzi differenziati per l’efficiente alimentazione controllata delle quantità di carica richieste da detti diversi fenomeni parassitici. In such a cell, a controlled switch, also known as a power switch, and a current recirculation device are connected between the terminals of a direct current voltage source, characterized by a quantity of parasitic charge which varies in a non-linear way in a function of the voltage at its ends. A common terminal of the cell is defined between said controlled switch and the recirculation device. The current recirculation device has both conduction efficiency and inefficient switching dynamics due to reverse-recovery phenomena and non-linear parasitic capacitance, and the switching cell comprises, at the ends of said recirculation device, differentiated means for the efficient controlled feeding of the quantities of charge required by said various parasitic phenomena.

Tali mezzi differenziati comprendono Such differentiated means include

- un primo circuito generatore, di bassa tensione, che include una prima sorgente di tensione continua e un associato primo interruttore comandato, e che alimenta un primo diodo “veloce†, cioà ̈ per un funzionamento ad alta frequenza di commutazione, anche del tipo a giunzione, ma adatto a condurre con bassa caduta di tensione elevatissimi valori impulsivi di corrente, così conducendo in tempi ridotti la carica elettrica di storage necessaria per forzare il reverse-recovery del dispositivo di ricircolo, carica erogata da detto primo circuito generatore, caratterizzato da una bassa tensione, ad esempio di alcuni Volt; e - a first low voltage generator circuit, which includes a first source of direct voltage and an associated first controlled switch, and which supplies a first â € œfastâ € diode, that is, for operation at high switching frequency, also of the type junction, but suitable for conducting very high impulsive current values with low voltage drop, thus conducting in a short time the electrical storage charge necessary to force the reverse-recovery of the recirculation device, charge supplied by said first generator circuit, characterized from a low voltage, for example of a few Volts; And

- un secondo circuito generatore, di tensione più elevata, che include una seconda sorgente di tensione continua e un associato secondo interruttore comandato, e che alimenta un secondo diodo avente bassa capacità rispetto a quella del dispositivo di ricircolo e un trascurabile fenomeno di reverse-recovery, ad esempio un diodo Schottky, o più diodi di bassa tensione in serie, per iniettare una quantità di carica parassita non lineare nel dispositivo di ricircolo della cella, e per fornire al contempo una quantità di carica sufficiente per interdire detto primo diodo quando detto primo interruttore comandato à ̈ chiuso, tali quantità di carica elettrica essendo alimentate da detto secondo circuito generatore, caratterizzato da una più elevata tensione, ad esempio di poche decine di Volt, necessaria per alimentare detta carica non lineare nel dispositivo di ricircolo. - a second generator circuit, of higher voltage, which includes a second source of direct voltage and an associated second controlled switch, and which supplies a second diode with low capacity compared to that of the recirculation device and a negligible reverse-recovery phenomenon , for example a Schottky diode, or several low voltage diodes in series, to inject a quantity of non-linear parasitic charge into the recirculation device of the cell, and at the same time to supply a quantity of charge sufficient to block said first diode when said first the controlled switch is closed, such quantities of electric charge being supplied by said second generator circuit, characterized by a higher voltage, for example of a few tens of Volts, necessary to feed said non-linear charge into the recirculation device.

Secondo una caratteristica dell’invenzione l’interruttore comandato del secondo circuito generatore di tensione deve essere chiuso non prima del termine del fenomeno dello storage di carica nel dispositivo di ricircolo, e l’interruttore di potenza della cella deve poi essere chiuso immediatamente dopo, così minimizzando il consumo di energia assorbita da detti primo e secondo circuito generatore, e dell’energia dissipata in detto interruttore di potenza. According to a characteristic of the invention, the controlled switch of the second voltage generating circuit must be closed not before the end of the charge storage phenomenon in the recirculation device, and the cell power switch must then be closed immediately afterwards, thus minimizing the consumption of energy absorbed by said first and second generator circuits, and of the energy dissipated in said power switch.

Secondo una ulteriore caratteristica, applicabile in generale ai dispositivi di ricircolo di potenza, gli interruttori comandati di detti primo e secondo circuito generatore di tensione sono comandati mediante un unico segnale di comando, il primo interruttore comandato, che alimenta la carica per lo storage, essendo chiuso in diretta dipendenza da detto unico segnale di comando, il secondo interruttore comandato essendo comandato in chiusura immediatamente dopo la fine dello storage, cioà ̈ dello stato di conduzione inversa del dispositivo di ricircolo di corrente. According to a further characteristic, generally applicable to power recirculation devices, the controlled switches of said first and second voltage generating circuits are controlled by means of a single control signal, the first controlled switch, which supplies the charge for storage, being closed in direct dependence on said single command signal, the second controlled switch being commanded to close immediately after the end of the storage, that is, of the state of reverse conduction of the current recirculation device.

La discontinuità di conduzione inversa à ̈ convenientemente rilevata in feedback da un circuito di misura e comparazione di potenziali elettrici, in particolare su almeno uno dei terminali del dispositivo di ricircolo in comune con detti primo e secondo circuito generatore commutato di tensione. The reverse conduction discontinuity is conveniently detected in feedback by a measurement and comparison circuit of electric potentials, in particular on at least one of the terminals of the recirculation device in common with said first and second switched voltage generator circuits.

Così, tale circuito di misura e comparazione può comandare a basso costo l’interruttore comandato del secondo circuito generatore commutato, con trascurabile ritardo rispetto alla conclusione dello stato di conduzione inversa o di storage del dispositivo di ricircolo di corrente. Thus, this measurement and comparison circuit can command the controlled switch of the second switched generator circuit at low cost, with negligible delay with respect to the conclusion of the reverse conduction or storage state of the current recirculation device.

Secondo un’ulteriore caratteristica detto circuito di misura e comparazione della tensione ai capi del dispositivo di ricircolo di corrente genera un segnale logico di comando che viene trasmesso al blocco di comando e modulazione della cella di commutazione, in modo che l’interruttore di potenza comandato di detta cella di commutazione venga pilotato in chiusura con un ritardo predeterminato rispetto all’istante in cui detto circuito di misura e comparazione rileva la conclusione del fenomeno di storage e trasmette un corrispondente segnale, così interdicendo il diodo del secondo circuito generatore di tensione, e quindi limitando il tempo di funzionamento e l’energia assorbita da detto secondo circuito generatore di tensione commutato. According to a further characteristic, said circuit for measuring and comparing the voltage at the ends of the current recirculation device generates a logic command signal which is transmitted to the command and modulation block of the switching cell, so that the commanded power of said switching cell is driven into closing with a predetermined delay with respect to the instant in which said measurement and comparison circuit detects the end of the storage phenomenon and transmits a corresponding signal, thus interdicting the diode of the second generator circuit voltage, and therefore limiting the operating time and the energy absorbed by said second switched voltage generator circuit.

Secondo un’ulteriore caratteristica, specifica per il caso in cui un MOSFET viene usato come SR e quindi come dispositivo di ricircolo di corrente di una cella di commutazione, i suddetti primo e secondo circuito generatore di tensione sono accoppiati ai terminali di drain e source di tale MO-SFET, e quindi del suo body diode, i suddetti primo e secondo circuito generatore di tensione e il circuito di misura e comparazione della tensione tra drain e source essendo tutti riferiti al terminale di source del MOSFET (SR), potendo pertanto essendo integrati in un unico circuito comprendente il circuito di comando del gate di detto MOSFET. According to a further characteristic, specific for the case in which a MOSFET is used as an SR and therefore as a current recirculation device of a switching cell, the aforementioned first and second voltage generating circuits are coupled to the drain and source terminals of this MO-SFET, and therefore of its body diode, the aforementioned first and second voltage generating circuits and the measurement and comparison circuit of the voltage between drain and source being all referred to the source terminal of the MOSFET (SR), therefore being able being integrated in a single circuit comprising the gate control circuit of said MOSFET.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione appariranno dalla descrizione dettagliata che segue, effettuata a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali: Further characteristics and advantages of the invention will appear from the following detailed description, carried out purely by way of non-limiting example, with reference to the attached drawings, in which:

la figura 1, già descritta, à ̈ uno schema circuitale di una cella di commutazione canonica a corrente unidirezionale di tipo per sà ̈ noto; Figure 1, already described, is a circuit diagram of a canonical unidirectional current switching cell of a per se known type;

la figura 2, parimenti già descritta, mostra caratteristiche teoriche di un transistore MOSFET; Figure 2, also already described, shows theoretical characteristics of a MOSFET transistor;

la figura 3, anch’essa già descritta, à ̈ uno schema circuitale, in parte a blocchi, di una cella di commutazione controllata secondo la tecnica anteriore; Figure 3, also already described, is a circuit diagram, partly in blocks, of a controlled switching cell according to the prior art;

la figura 4 à ̈ uno schema circuitale, già descritto, di una cella di commutazione a corrente unidirezionale operante secondo un concetto noto; la figura 5, parimenti già descritta, illustra il fenomeno delle capacità parassite dipendenti dalla tensione, in termini di quantità di carica spostata al crescere della tensione applicata ad un dispositivo efficiente di ricircolo di corrente; la figura 6 à ̈ uno schema circuitale, parzialmente a blocchi, di una cella di commutazione unidirezionale secondo l’invenzione; Figure 4 is a circuit diagram, already described, of a unidirectional current switching cell operating according to a known concept; Figure 5, also already described, illustrates the phenomenon of voltage-dependent parasitic capacities, in terms of the amount of charge displaced as the voltage applied to an efficient current recirculation device increases; figure 6 is a circuit diagram, partially in blocks, of a unidirectional switching cell according to the invention;

la figura 7 Ã ̈ una serie di diagrammi che illustrano, in funzione del tempo t riportato in ascissa, andamenti ideali esemplificativi di grandezze elettriche nella cella di commutazione secondo la figura 6; Figure 7 is a series of diagrams which illustrate, as a function of the time t reported in the abscissa, exemplary ideal trends of electrical quantities in the switching cell according to Figure 6;

le figure 8 e 9 sono ulteriori schemi circuitali, parzialmente a blocchi, di celle di commutazione unidirezionale con comandi ottimizzati secondo l’invenzione; Figures 8 and 9 are further circuit diagrams, partially in blocks, of unidirectional switching cells with optimized controls according to the invention;

la figura 10 à ̈ uno schema circuitale, parzialmente a blocchi, di una cella di commutazione unidirezionale secondo l’invenzione che impiega un MO-SFET come SR, e in cui i circuiti sono integrati in un unico circuito, comprendente il pilotaggio del MOSFET operante come SR; e Figure 10 is a partially block circuit diagram of a unidirectional switching cell according to the invention which uses a MO-SFET such as SR, and in which the circuits are integrated in a single circuit, including the driving of the MOSFET operating as SR; And

la figura 11 à ̈ uno schema circuitale, parzialmente a blocchi, di una cella di commutazione bidirezionale secondo l’invenzione che impiega due MO-SFET capaci entrambi di operare come SR grazie all’integrazione dei circuiti secondo l’invenzione nei rispettivi circuiti di pilotaggio. Figure 11 is a partially block circuit diagram of a bidirectional switching cell according to the invention which uses two MO-SFETs both capable of operating as SRs thanks to the integration of the circuits according to the invention in their respective driving circuits.

Con riferimento alla figura 6, una cella di commutazione controllata a corrente unidirezionale 1 secondo l'invenzione comprende un interruttore T, che può essere ad esempio un transistore bipolare od ad effetto di campo, comandato da un circuito di pilotaggio TD, ed un dispositivo di ricircolo di corrente CRD, di un qualsiasi tipo, presentante i fenomeni dinamici di un diodo di ricircolo di potenza FWD, e i fenomeni capacitivi non lineari tipici dei semiconduttori di potenza, rappresentati con un condensatore Cnldi capacità non costante. Il catodo del diodo FWD di ricircolo della corrente à ̈ indicato con K, mentre il suo anodo à ̈ indicato con A. With reference to Figure 6, a unidirectional current-controlled switching cell 1 according to the invention comprises a switch T, which can be for example a bipolar or field-effect transistor, controlled by a driver circuit TD, and a control device current recirculation CRD, of any type, presenting the dynamic phenomena of a power recirculating diode FWD, and the non-linear capacitive phenomena typical of power semiconductors, represented with a capacitor Cnl of non-constant capacity. The cathode of the current-recirculating FWD diode is indicated with K, while its anode is indicated with A.

Ai capi del dispositivo di ricircolo CRD à ̈ applicato un circuito generatore di bassa tensione, complessivamente indicato con HLPD, attraverso due diodi di alta tensione DH e DL, collegati a CRD, e in particolare al suo diodo FWD, in modo tale per cui tutti e tre tali diodi hanno un terminale omologo comune, mentre l’altro terminale dei diodi DH e DL à ̈ collegato al circuito HLPD. At the ends of the recirculation device CRD a low voltage generator circuit is applied, generally indicated with HLPD, through two high voltage diodes DH and DL, connected to CRD, and in particular to its FWD diode, in such a way that all and three such diodes have a common homologous terminal, while the other terminal of the DH and DL diodes is connected to the HLPD circuit.

Nella figura 6 il terminale comune à ̈ il catodo (K). Pertanto gli anodi dei diodi DH e DL sono collegati al circuito HLPD attraverso due terminali indicati con 11 e 10, rispettivamente, mentre l’anodo del diodo FWD à ̈ collegato al circuito HLPD attraverso un terminale 12. In figure 6 the common terminal is the cathode (K). Therefore the anodes of the DH and DL diodes are connected to the HLPD circuit through two terminals indicated with 11 and 10, respectively, while the anode of the FWD diode is connected to the HLPD circuit through a terminal 12.

Il diodo DL à ̈ un diodo dimensionato per condurre correnti impulsive molto più elevate della corrente di uscita IOdella cella 1, dovendo alimentare la carica per il reverse-recovery del diodo FWD con cadute le più basse possibili. Risulta così minimizzata la tensione del generatore VL che à ̈ predisposto per l’alimentazione della carica di reverse-recovery di FWD, attraverso la chiusura dell’interruttore comandato TL di bassa tensione. Pertanto, in particolare DL può essere un singolo diodo di grande area e a giunzione di semiconduttori, con relativi fenomeni non trascurabili di reverse-recovery e di capacità parassita, comunque inferiori a quelli del diodo FWD. The DL diode is a diode sized to conduct impulse currents much higher than the output current IO of cell 1, having to supply the reverse-recovery charge of the FWD diode with the lowest possible drops. The voltage of the generator VL is thus minimized, which is designed to power the FWD reverse-recovery charge by closing the low voltage TL controlled switch. Therefore, in particular DL can be a single large area diode and semiconductor junction, with relative non-negligible phenomena of reverse-recovery and parasitic capacitance, however lower than those of the FWD diode.

Questa possibilità di risparmio in termini di costo e di energia à ̈ permessa dalla successiva funzione del diodo DH, realizzato ad esempio con un più piccolo diodo di tipo Schottky per alta tensione, oppure dalla serie di più diodi ultraveloci per bassa tensione, in ogni caso con trascurabili fenomeni di reverse-recovery e di carica parassita. Il diodo DH à ̈ infatti predisposto per applicare la tensione del generatore VH, parimenti positiva, tra i terminali K e A di FWD, ma avente un valore ben più elevato rispetto alla tensione generata da VL, per alimentare la carica parassita di Cnlin CRD, così allo stesso tempo alimentando il pur breve reverse-recovery del diodo DL, nonché la sua carica parassita. This possibility of saving in terms of cost and energy is allowed by the subsequent function of the DH diode, made for example with a smaller Schottky type diode for high voltage, or by the series of more ultrafast diodes for low voltage, in any case. with negligible reverse-recovery and parasitic charge phenomena. The diode DH is in fact set up to apply the voltage of the generator VH, equally positive, between the terminals K and A of the FWD, but having a much higher value than the voltage generated by VL, to power the parasitic charge of Cnlin CRD, thus at the same time feeding the DL diode even short reverse-recovery, as well as its parasitic charge.

Per svolgere tale sequenza di operazioni il circuito HLPD à ̈ comandato mediante segnali CH e CL di chiusura degli interruttori di bassa tensione TH e TL, rispettivamente. Tali comandi sono temporizzati da un blocco di comando CTHL, che genera anche il segnale di comando CT per il driver TD dell’interruttore di potenza T della cella, a partire da un comando C1 che determina lo stato di tutta la cella 1, e che à ̈ ad esempio fornito da un modulatore di tipo PWM (Pulse Width Modulator) non rappresentato. To carry out this sequence of operations, the HLPD circuit is controlled by means of the closing signals CH and CL of the low voltage switches TH and TL, respectively. These commands are timed by a command block CTHL, which also generates the command signal CT for the driver TD of the power switch T of the cell, starting from a command C1 which determines the status of the entire cell 1, and which is for example provided by an unrepresented PWM (Pulse Width Modulator) type modulator.

Con riferimento al circuito della figura 6, la figura 7 riporta andamenti esemplificativi nel tempo di tali comandi, e le conseguenti forme d’onda esemplificative di variabili elettriche essenziali, successivamente ad un fronte di salita del segnale di comando C1 che avvia la sequenza che porta al fronte di salita del comando CT di chiusura dell’interruttore T. With reference to the circuit of figure 6, figure 7 shows exemplary time trends of these commands, and the consequent exemplary waveforms of essential electrical variables, following a rising edge of the command signal C1 which starts the sequence that leads to the rising edge of the CT command to close circuit-breaker T.

Precedentemente a tale fronte di salita di C1, la tensione VKAai capi del dispositivo di ricircolo di corrente CRD ha un valore leggermente negativo, visibile nella figura 7, pari alla caduta di conduzione di CRD, ovvero di FWD, corrispondente alla conduzione della corrente di uscita IOvisibile nel grafico di ICRD. Prior to this rising edge of C1, the voltage VKA at the ends of the current recirculation device CRD has a slightly negative value, visible in figure 7, equal to the conduction drop of CRD, i.e. of FWD, corresponding to the conduction of the output current IOvisible in the ICRD graph.

La sequenza definita dalla figura 7 Ã ̈ strettamente necessaria: The sequence defined in figure 7 is strictly necessary:

- al fronte di salita di C1 il comando CL chiude l’interruttore TL, in modo da interdire FWD forzando il suo reverse-recovery; - on the rising edge of C1, the CL command closes the TL circuit-breaker, so as to disable FWD by forcing its reverse-recovery;

- durante il tempo di ritardo Dtsg di spegnimento della conduzione di FWD, detto “storage-time†, FWD permane nello stato di elevata conducibilità elettrica precedente, e il generatore VL eroga attraverso il diodo DL la corrente IDL, pari alla somma della corrente Irrinversa in FWD e visibile nel grafico relativo a ICRD, e della corrente di uscita IO; - during the FWD conduction shutdown delay time Dtsg, called â € œstorage-timeâ €, FWD remains in the previous state of high electrical conductivity, and the generator VL supplies through the diode DL the current IDL, equal to the sum of the current Irrevocable in FWD and visible in the graph relating to ICRD, and of the output current IO;

- la carica di storage, fornita durante lo storage-time Dtsg, Ã ̈ pari a Irr* Dtsg; - the storage charge, provided during the Dtsg storage-time, is equal to Irr * Dtsg;

- ai fini dell’invenzione, al termine dello storage-time sarebbe ottimale chiudere immediatamente l’interruttore TH, mentre nella figura 7 segue un intervallo di tempo di ritardo della chiusura di TH, che impedisce l’erogazione anche solo parziale della carica di reverse-recovery dal generatore VH; - la chiusura dell’interruttore TH à ̈ quindi comandata dal segnale CH, per applicare il più elevato valore di tensione generato da VH al CRD attraverso il diodo DH, alimentando così la carica non lineare del suo condensatore parassita Cnl; - for the purposes of the invention, at the end of the storage-time it would be optimal to immediately close the switch TH, while in figure 7 there follows a delay time interval for the closure of TH, which prevents even partial delivery of the reverse-recovery charge from the VH generator; - the closing of the switch TH is therefore controlled by the signal CH, to apply the highest voltage value generated by VH to the CRD through the diode DH, thus feeding the non-linear charge of its parasitic capacitor Cnl;

- allo stesso tempo, tale chiusura di TH alimenta anche la carica di spegnimento del diodo DL, comprensiva della carica per il suo reverserecovery, portandolo infine al valore di tensione inversa pari alla differenza fra le tensioni dei due generatori VH e VL; - at the same time, this closure of TH also supplies the extinguishing charge of the diode DL, including the charge for its reverserecovery, finally bringing it to the inverse voltage value equal to the difference between the voltages of the two generators VH and VL;

- infine, l’interruttore comandato T della cella viene chiuso, praticamente senza alcun fenomeno parassitico contrastante, in quanto il diodo DH à ̈ un diodo senza reverse-recovery e di trascurabile capacità parassita, anche grazie alla sua area ridotta di semiconduttore. - finally, the controlled switch T of the cell is closed, practically without any contrasting parasitic phenomenon, since the diode DH is a diode without reverse-recovery and of negligible parasitic capacitance, also thanks to its reduced semiconductor area.

Pertanto la commutazione di chiusura dell’interruttore T della cella avviene in modo pressoché non dissipativo, con i seguenti assorbimenti di energia a carico del circuito HLPD: Therefore, the closing commutation of the switch T of the cell takes place in an almost non-dissipative way, with the following energy absorption by the HLPD circuit:

- dal generatore VL viene assorbita una carica elevata, pari all’integrale della corrente IDL, di valore elevatissimo (Irr+IO) nello storage-time, e di valore IOnel residuo tempo ritardo di chiusura di TH, tuttavia l’energia assorbita EL à ̈ ridotta grazie al bassissimo valore di tensione di VL (EL = VL*⌠ IDLdt); - a high charge is absorbed by the VL generator, equal to the integral of the current IDL, of very high value (Irr + IO) in the storage-time, and of value IO in the residual closing delay time of TH, however the absorbed energy EL is reduced thanks to the very low voltage value of VL (EL = VL * ⌠IDLdt);

- dal generatore VH viene assorbita una carica normalmente minore, pari al valore dell’integrale di IDH, ma l’energia assorbita può essere maggiore di EL per il più elevato valore di tensione di VH (EH= VH*⌠ IHdt). - a normally lower charge is absorbed by the generator VH, equal to the value of the integral of IDH, but the energy absorbed can be greater than EL due to the higher voltage value of VH (EH = VH * ⌠IHdt).

La figura 8 à ̈ uno schema di un’ulteriore cella di commutazione 1 secondo l’invenzione, che ottiene in modo affidabile ed efficiente la funzionalità già descritta e rappresentata nei grafici della figura 7, per merito di un ulteriore blocco MCKA di monitoraggio e comparazione della tensione tra i terminali K e A del dispositivo di ricircolo della corrente CRD, ovvero di FWD, capace di generare il segnale di comando CH in feedback, cioà ̈ immediatamente ed esattamente alla fine dell’intervallo di tempo di storage Dtsg, ovvero quando cessa lo stato di elevata conducibilità elettrica del CRD, cioà ̈ del suo diodo FWD. Figure 8 is a diagram of a further switching cell 1 according to the invention, which reliably and efficiently obtains the functionality already described and represented in the graphs of Figure 7, thanks to a further MCKA monitoring block and comparison of the voltage between terminals K and A of the current recirculation device CRD, or of FWD, capable of generating the control signal CH in feedback, that is, immediately and exactly at the end of the storage time interval Dtsg, that is when the state of high electrical conductivity of the CRD ceases, that is of its FWD diode.

Lo schema della figura 8 deriva da quello della figura 6, con l’unica variante del blocco di comando CTHL sostituito da un blocco CTHLFB, in quanto il segnale CH, per il comando di TH, viene ora direttamente generato in feedback dal blocco di monitoraggio e comparazione MCKA della tensione VKA. Il segnale di comando CL per il comando dell’interruttore TL, generato dal blocco CTHLFB, viene inviato anche al blocco MCKA come segnale di abilitazione, e spegnimento finale, del comando CH di chiusura di TH, generato localmente dal comparatore di tensione di MCKA così abilitato da CL. The diagram of figure 8 derives from that of figure 6, with the only variant of the CTHL command block replaced by a CTHLFB block, since the CH signal, for the TH command, is now directly generated in feedback by the MCKA monitoring and comparison of VKA voltage. The command signal CL for the command of the circuit-breaker TL, generated by the block CTHLFB, is also sent to the block MCKA as an enabling signal, and final shutdown, of the closing command CH of TH, generated locally by the voltage comparator of MCKA thus enabled by CL.

La comparazione della tensione VKAcon una soglia predeterminata à ̈ idealmente sufficiente per determinare la conclusione dello storage-time, perché la corrente inversa da elevatissima diventa quasi nulla, così riducendo di molto la caduta di tensione nel circuito-serie VL TL DL, per cui la tensione VKAraggiunge in modo discontinuo, ad esempio come nella figura 7, il suo massimo valore durante tale prima fase di alimentazione a partire dal generatore VL. In questo modo si ottiene una ottima efficienza e una massima affidabilità di funzionamento, in quanto detto tempo di storage à ̈ molto dipendente dalla temperatura e dalla corrente di uscita IOoltre che dalla corrente di reverserecovery Irr. The comparison of the voltage VKA with a predetermined threshold is ideally sufficient to determine the conclusion of the storage-time, because the inverse current from very high becomes almost zero, thus greatly reducing the voltage drop in the series-circuit VL TL DL, for wherein the voltage VKAr reaches its maximum value in a discontinuous way, for example as in Figure 7, during this first supply phase starting from the generator VL. In this way, excellent efficiency and maximum operational reliability are obtained, as said storage time is very dependent on the temperature and on the output current IO as well as on the reverserecovery current Irr.

Per realizzare anche una massima efficienza, con riferimento allo schema della figura 8, secondo l'invenzione il comando CH generato localmente da MCKA viene trasferito in feedback anche al blocco di comando CTHLFB, che lo utilizza come segnale di abilitazione per generare il fronte di salita del segnale CT, così terminando la sequenza delle commutazioni con la chiusura dell’interruttore T della cella, che polarizza inversamente il diodo DH e fa terminare qualsiasi consumo di energia a carico del circuito di bassa tensione HLPD. In order to also achieve maximum efficiency, with reference to the diagram of Figure 8, according to the invention, the CH command generated locally by MCKA is also transferred in feedback to the CTHLFB command block, which uses it as an enabling signal to generate the rising edge of the signal CT, thus ending the sequence of switching with the closing of the switch T of the cell, which biases the DH diode inversely and terminates any energy consumption of the low voltage circuit HLPD.

Con riferimento alla figura 7, il ritardo tra il fronte di salita di CH e quello conclusivo di CT può essere voluto o semplicemente prodotto dalla serie di ritardi della catena di trasmissione dei segnali (quasi certamente con isolamento galvanico); in ogni caso si tratta di un tempo che à ̈ molto breve e che soprattutto può essere predeterminato. With reference to Figure 7, the delay between the rising edge of CH and the final one of CT can be desired or simply produced by the series of delays in the signal transmission chain (almost certainly with galvanic isolation); in any case it is a very short time and above all it can be predetermined.

Infatti, la quantità di carica che deve essere alimentata in CRD, ovvero nella sua capacità non costante Cnl, à ̈ quasi costante, cioà ̈ quasi indipendente dalla temperatura e dalla corrente. In fact, the amount of charge that must be fed into the CRD, or in its non-constant capacity Cnl, is almost constant, that is almost independent of the temperature and the current.

Per un ulteriore incremento di affidabilità, con riferimento allo schema della figura 8, secondo l'invenzione nello schema della figura 9 la misura del termine dello storage-time viene realizzata in modo teoricamente ridondante da un blocco MCKADL, che misura e compara anche la corrente condotta dal diodo DL, la quale deve essere non superiore al valore della corrente di uscita IOdella cella per una maggiore certezza della fine dello storagetime. In particolare, nello schema della figura 9 la misura della corrente IDLnel diodo DL à ̈ realizzata più semplicemente come misura della caduta di tensione tra il suo anodo AL (terminale 20 di ingresso a MCKADL) e il suo catodo che coincide col catodo K (terminale 21) del dispositivo di ricircolo CRD. Infatti, essendo DL un diodo a giunzione di tipo ultra veloce, la sua caduta di tensione può rappresentare una misura accurata di corrente, anche poco dipendente dalla temperatura, proprio all’elevato valore di corrente di soglia necessario secondo l’invenzione. For a further increase in reliability, with reference to the diagram of Figure 8, according to the invention in the diagram of Figure 9, the measurement of the storage-time term is carried out in a theoretically redundant way by an MCKADL block, which also measures and compares the current conducted by the diode DL, which must not exceed the value of the output current IO of the cell for greater certainty of the end of the storagetime. In particular, in the diagram of figure 9 the measurement of the current IDL in the diode DL is made more simply as a measurement of the voltage drop between its anode AL (terminal 20 of input to MCKADL) and its cathode which coincides with the cathode K (terminal 21) of the CRD recirculation device. In fact, since DL is an ultra fast junction diode, its voltage drop can represent an accurate current measurement, even slightly dependent on temperature, precisely at the high threshold current value necessary according to the invention.

Nel blocco MCKADL sono indicativamente illustrati i due comparatori e la successiva funzione logica di AND che genera il comando CH, dove tale funzione AND Ã ̈ a tre ingressi per accogliere anche il segnale CL, utilizzato come segnale di abilitazione alla generazione del segnale CH. The MCKADL block illustrates the two comparators and the subsequent logical AND function that generates the CH command, where this AND function has three inputs to also receive the CL signal, used as an enabling signal for the generation of the CH signal.

Una qualsiasi delle soluzioni precedenti à ̈ applicabile ad un MOSFET, indicato come M nella figura 10, utilizzabile come SR e quindi come dispositivo di ricircolo di corrente CRD, con la sola addizione di un suo circuito di pilotaggio MD, di per sé noto, che comanda la tensione tra gate e source di tale MOSFET M. L’insieme, indicato come HLMD, del circuito di pilotaggio MD e dei circuiti secondo l’invenzione, cioà ̈ del circuito HLPD che alimenta i diodi DH e DL insieme con MCKA oppure MCKADL, à ̈ un complesso omogeneo di circuiti in bassa tensione, quindi facilmente integrabili. La funzionalità completa realizzata secondo l’invenzione à ̈ pertanto schematizzata come comprendente il circuito di pilotaggio e misura HLMD del MOSFET SR e dei diodi DH e DL, differenziati in quantità e qualità di semiconduttore, ma complessivamente capaci di sostenere la medesima tensione nominale del MOSFET SR assistito alla interdizione secondo l’invenzione. Any of the previous solutions can be applied to a MOSFET, indicated as M in figure 10, which can be used as an SR and therefore as a current recirculation device CRD, with the sole addition of its own driver circuit MD, known per se, which controls the voltage between gate and source of this MOSFET M. The set, indicated as HLMD, of the driver circuit MD and of the circuits according to the invention, that is, of the circuit HLPD which powers the diodes DH and DL together with MCKA or MCKADL, is a homogeneous complex of low voltage circuits, therefore easily integrated. The complete functionality realized according to the invention is therefore schematized as comprising the driving and measurement circuit HLMD of the MOSFET SR and the DH and DL diodes, differentiated in quantity and quality of semiconductor, but overall capable of supporting the same rated voltage of the MOSFET SR assisted in the interdiction according to the invention.

Nella figura 10 à ̈ utilizzato in particolare un MOSFET canale n, per il quale il source S à ̈ il terminale di riferimento che coincide con l’anodo del suo body-diode BD; pertanto la connessione comune secondo l’invenzione dei diodi DH e DL à ̈ quella dei rispettivi catodi con il catodo D del body-diode BD del MOSFET a canale n. Il comando CP all’ingresso di HLMD viene fornito da un circuito di comando PWM di per sà ̈ noto, che può utilizzare il segnale CH, quando generato internamente dai blocchi di misura e comparazione MCKA oppure MCKADL secondo l’invenzione, per sincronizzare al meglio la commutazione dell’interruttore comandato al quale à ̈ abbinato detto MOSFET SR usato come CRD in una cella di commutazione. In figure 10 a MOSFET channel n is used in particular, for which the source S is the reference terminal which coincides with the anode of its body-diode BD; therefore the common connection according to the invention of the diodes DH and DL is that of the respective cathodes with the cathode D of the body-diode BD of the n-channel MOSFET. The CP command at the HLMD input is provided by a PWM control circuit per se known, which can use the CH signal, when generated internally by the measurement and comparison blocks MCKA or MCKADL according to the invention, to synchronize at best the commutation of the controlled switch to which said MOSFET SR is combined, used as CRD in a commutation cell.

Nella figura 11 à ̈ schematizzata una cella di commutazione 1 bidirezionale secondo l’invenzione che utilizza due MOSFET a canale n, ciascuno dotato di circuito di pilotaggio HLMDP e HLMDN, e dei diodi DHP, DLP e DHN, DLN capaci secondo l’invenzione di sfruttare al meglio i MOSFET usati come SR e quindi come dispositivi di ricircolo, oltre che come interruttori comandati secondo l’arte nota. Nel funzionamento, a seconda del verso della corrente I0, entrante od uscente dal terminale comune O della cella 1, uno dei suddetti MOSFET opera come interruttore di potenza e l’altro come dispositivo di ricircolo. Figure 11 schematically illustrates a bidirectional switching cell 1 according to the invention which uses two n-channel MOSFETs, each equipped with a driving circuit HLMDP and HLMDN, and diodes DHP, DLP and DHN, DLN capable according to the invention to make the most of the MOSFETs used as SR and therefore as recirculation devices, as well as switches controlled according to the known art. In operation, depending on the direction of the current I0, entering or leaving the common terminal O of the cell 1, one of the above-mentioned MOSFETs operates as a power switch and the other as a recirculation device.

Nella figura 11 sono aggiunti i pedici P e N per i MOSFET, e per i circuiti secondo l’invenzione ad essi collegati, rispettivamente connessi al polo positivo e al polo negativo della tensione di alimentazione VCdella cella di commutazione 1. In figure 11 the subscripts P and N are added for the MOSFETs, and for the circuits according to the invention connected to them, respectively connected to the positive and negative poles of the supply voltage VC of the switching cell 1.

Nella figura 11 Ã ̈ in particolare impiegato un blocco di commutazione CMHLFB capace di sincronizzare in feedback la chiusura del MOSFET operante come interruttore comandato, in funzione del segnale CH generato dal circuito HLMD collegato al MO-SFET operante come SR ovvero come dispositivo di ricircolo. In figure 11 a switching block CMHLFB is used in particular, capable of synchronizing in feedback the closing of the MOSFET operating as a controlled switch, as a function of the CH signal generated by the HLMD circuit connected to the MO-SFET operating as an SR or as a recirculation device.

Nei due casi possibili, in funzione del segno della corrente di uscita IO: In the two possible cases, depending on the sign of the output current IO:

- IOuscente implica che MP sia un interruttore comandato e MN sia il dispositivo di ricircolo; CN à ̈ il “negato†di C1, e CP coincide con C1 ma con un ritardo sul fronte di salita di CP, essendo questo sincronizzato secondo l’invenzione con il fronte di salita di CHN; - IOoutput implies that MP is a controlled switch and MN is the recirculation device; CN is the â € œnegateâ € of C1, and CP coincides with C1 but with a delay on the rising edge of CP, this being synchronized according to the invention with the rising edge of CHN;

- IOentrante implica che MN sia un interruttore comandato e MP sia il dispositivo di ricircolo; CP coincide con C1, e CN coincide con il “negato†di C1, ma con un ritardo sul fronte di salita di CN, essendo questo sincronizzato secondo l’invenzione con il fronte di salita di CHP. - Inward implies that MN is a controlled switch and MP is the recirculation device; CP coincides with C1, and CN coincides with the â € œnegativeâ € of C1, but with a delay on the rising edge of CN, this being synchronized according to the invention with the rising edge of CHP.

Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, le forme di attuazione e i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto à ̈ stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione come definito nelle annesse rivendicazioni. Naturally, the principle of the invention remaining the same, the embodiments and construction details may be widely varied with respect to what has been described and illustrated purely by way of non-limiting example, without thereby departing from the scope of the invention as defined. in the attached claims.

Claims (9)

RIVENDICAZIONI 1. Cella di commutazione controllata (1), in cui fra i terminali di una sorgente di alimentazione (2) di tensione (VC) in corrente continua sono collegati un interruttore comandato di potenza (T) ed un dispositivo di ricircolo di corrente (CRD) comprendente un diodo od una giunzione, fra i quali à ̈ definito un terminale comune (O) della cella (1); la cella (1) essendo caratterizzata dal fatto che ai capi di detto dispositivo di ricircolo (CRD) sono collegati mezzi di alimentazione controllata di carica elettrica (TL, VL, DL; TH, VH, DH) comprendenti - un primo circuito generatore (TL, VL, DL) per generare una bassa tensione, includente una prima sorgente di tensione continua (VL), un associato primo interruttore comandato (TL), ed un primo diodo (DL), detto primo circuito generatore (TL, VL, DL) essendo atto a erogare una carica elettrica sufficiente a provocare il reverse-recovery del dispositivo di ricircolo (CRD); e - un secondo circuito generatore (TH, VH, DH) per generare una tensione più elevata, includente una seconda sorgente di tensione continua (VH), un associato secondo interruttore comandato (TH) ed un secondo diodo (DH) avente una capacità inferiore a quella di detto primo diodo (DL), detto secondo circuito generatore (TH, VH, DH) essendo atto ad iniettare nel dispositivo di ricircolo (CRD) una quantità di carica elettrica (QD) variabile in un modo non lineare in funzione della tensione, e per fornire inoltre una quantità di carica sufficiente a provocare l’interdizione di detto primo diodo (DL) quando detto primo interruttore comandato (TL) à ̈ chiuso. CLAIMS 1. Controlled switching cell (1), in which a controlled power switch (T) and a current recirculation device (CRD) are connected between the terminals of a direct current voltage (VC) power source (2) ) comprising a diode or a junction, between which a common terminal (O) of the cell (1) is defined; the cell (1) being characterized by the fact that at the ends of said recirculation device (CRD) there are connected means for the controlled power supply of electric charge (TL, VL, DL; TH, VH, DH) comprising - a first generator circuit (TL, VL, DL) for generating a low voltage, including a first direct voltage source (VL), an associated first controlled switch (TL), and a first diode (DL), said first generator circuit (TL, VL, DL) being able to deliver an electric charge sufficient to cause the reverse recovery of the recirculation device (CRD); And - a second generator circuit (TH, VH, DH) for generating a higher voltage, including a second source of direct voltage (VH), an associated second controlled switch (TH) and a second diode (DH) having a capacity lower than that of said first diode (DL), said second generator circuit (TH, VH, DH) being able to inject into the recirculation device (CRD) a quantity of electric charge (QD) which varies in a non-linear way as a function of the voltage, and also to supply a sufficient charge quantity to cause the interdiction of said first diode (DL) when said first controlled switch (TL) is closed. 2. Cella di commutazione controllata secondo la rivendicazione 1, in cui detto primo diodo (DL) à ̈ un diodo a giunzione di semiconduzione, e detto secondo diodo (DH) à ̈ un diodo di tipo Schottky oppure à ̈ realizzato con una pluralità di diodi in serie. 2. Controlled switching cell according to claim 1, wherein said first diode (DL) is a semiconductor junction diode, and said second diode (DH) is a Schottky type diode or is made with a plurality of diodes in series. 3. Cella di commutazione secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detti primo e secondo diodo (DL, DH) hanno un rispettivo terminale omologo (catodo o anodo) collegato al terminale omologo (K o A) del diodo o della giunzione (FWD) del dispositivo di ricircolo di corrente (CRD). Switching cell according to one of the preceding claims, in which said first and second diodes (DL, DH) have a respective homologous terminal (cathode or anode) connected to the homologous terminal (K or A) of the diode or of the junction (FWD) of the current recirculation device (CRD). 4. Cella di commutazione secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre mezzi di comando (CTHL) predisposti per pilotare secondo modalità prestabilite l’interruttore comandato di potenza (T) e detti primo e secondo interruttore comandato (TL, TH), in modo tale per cui prima di una chiusura dell’interruttore comandato di potenza (T) viene inizialmente chiuso detto primo interruttore (TL) in modo tale da interdire il diodo o la giunzione (FWD) del dispositivo di ricircolo di corrente (CRD), poi dopo un intervallo di tempo maggiore dello storage time (Dtsg) di detto diodo o giunzione (FWD) viene chiuso anche detto secondo interruttore (TH), e infine viene chiuso l’interruttore comandato di potenza (T). 4. Switching cell according to one of the preceding claims, further comprising control means (CTHL) arranged to drive the controlled power switch (T) and said first and second controlled switches (TL, TH) according to predetermined modes, such that before closing the controlled power switch (T) said first switch (TL) is initially closed in such a way as to block the diode or the junction (FWD) of the current recirculation device (CRD), then after a time interval greater than the storage time (Dtsg) of said diode or junction (FWD) also said second switch (TH) is closed, and finally the controlled power switch (T) is closed. 5. Cella di commutazione secondo la rivendicazione 4, in cui ai mezzi di comando (CTHLFB) sono associati mezzi di monitoraggio e comparazione (MCKA) della tensione (VKA) ai capi del dispositivo di ricircolo di corrente (CRD, FWD), e in cui detti mezzi di comando (CTHLFB) sono predisposti per abilitare il funzionamento di detti mezzi di monitoraggio e comparazione (MCKA) simultaneamente con il comando in chiusura di detto primo interruttore comandato (TL), e detti mezzi di monitoraggio e comparazione (MCKA) sono predisposti per comandare la commutazione di detto secondo interruttore comandato (TH) in funzione del valore della tensione (VKA) monitorata ai capi del dispositivo di ricircolo di corrente (CRD, FWD). 5. Switching cell according to claim 4, in which the control means (CTHLFB) are associated with means for monitoring and comparing (MCKA) of the voltage (VKA) at the ends of the current recirculation device (CRD, FWD), and in wherein said control means (CTHLFB) are arranged to enable the operation of said monitoring and comparison means (MCKA) simultaneously with the closing command of said first controlled switch (TL), and said monitoring and comparison means (MCKA) are arranged to command the switching of said second controlled switch (TH) as a function of the value of the voltage (VKA) monitored at the ends of the current recirculation device (CRD, FWD). 6. Cella di commutazione secondo la rivendicazione 5, in cui i mezzi di monitoraggio e comparazione (MCKA) sono inoltre collegati ad un ingresso di abilitazione di detti mezzi di comando (CTHLFB), per fornire a detti mezzi di comando (CTHLFB) un segnale di abilitazione alla chiusura dell'interruttore di potenza (T). 6. Switching cell according to claim 5, wherein the monitoring and comparison means (MCKA) are further connected to an enabling input of said control means (CTHLFB), to supply said control means (CTHLFB) with a signal enabling the closing of the power switch (T). 7. Cella di commutazione secondo la rivendicazione 6, in cui detti mezzi di monitoraggio e comparazione (MCKADL) sono predisposti per monitorare anche la corrente fluente in detto primo diodo (DL), e comprendono mezzi logici di abilitazione (AND) atti a consentire il pilotaggio in chiusura di detto secondo interruttore comandato (TH) quando sia la tensione (VKA) monitorata ai capi del dispositivo di ricircolo di corrente (CRD, FWD), sia la corrente in detto primo diodo (DL) soddisfano condizioni prestabilite. 7. Switching cell according to claim 6, in which said monitoring and comparison means (MCKADL) are arranged to monitor also the current flowing in said first diode (DL), and comprise logic enabling means (AND) suitable to allow the driving in closing of said second controlled switch (TH) when both the voltage (VKA) monitored at the ends of the current recirculation device (CRD, FWD), and the current in said first diode (DL) satisfy predetermined conditions. 8. Cella di commutazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il dispositivo di ricircolo di corrente (CRD) comprende almeno un transistore MOSFET con associato body-diode (BD). Switching cell according to any one of the preceding claims, wherein the current recirculation device (CRD) comprises at least one MOSFET transistor with associated body-diode (BD). 9. Cella di commutazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente due transistori MOSFET (MP, MN) con rispettivi circuiti di pilotaggio (HLMDP, HLMDN) e rispettivi primi e secondi diodi (DLP, DHP; DLN, DHN); detti circuiti di pilotaggio (HLMDP, HLMDN) essendo comandati da mezzi di comando della commutazione (CMHLFB) in modo tale per cui a seconda che la corrente (IO) al terminale comune (O) della cella (1) sia entrante od uscente, uno di detti transistori MOSFET (MP, MN) opera come interruttore comandato di potenza (CT), e l’altro di detti transistori MOSFET (MP, MN) opera come dispositivo di ricircolo di corrente (CRD).Switching cell according to any one of the preceding claims, comprising two MOSFET transistors (MP, MN) with respective driving circuits (HLMDP, HLMDN) and respective first and second diodes (DLP, DHP; DLN, DHN); said driving circuits (HLMDP, HLMDN) being controlled by switching command means (CMHLFB) in such a way that depending on whether the current (10) at the common terminal (O) of the cell (1) is either incoming or outgoing, one of said MOSFET transistors (MP, MN) operates as a controlled power switch (CT), and the other of said MOSFET transistors (MP, MN) operates as a current recirculation device (CRD).